机载激光雷达（LiDAR）在尼日尔原油管道勘测中的应用

何祖祥，高军宝，王卫民，李强

（1.中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊065000；2.中油朗威工程项目管理有限公司，河北廊坊065000）

机载激光雷达（LiDAR）在尼日尔原油管道勘测中的应用

何祖祥1，高军宝2，王卫民1，李强2

（1.中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊065000；2.中油朗威工程项目管理有限公司，河北廊坊065000）

针对尼日尔某原油管道沿线社会依托及安保条件很差的情况，为解决该管道工程前期的勘测问题，采用机载激光雷达（LiDAR）航测技术进行勘测。文章阐述了采用机载LiDAR进行工程勘测的组织与实施过程，通过应用实践及精度的检验，展现了应用LiDAR航测技术进行长输管道勘测在精度、效率上的独特优势，文章最后对其应用前景进行了展望并提出相关建议。

长输管道；机载激光雷达；航测；勘测

0 引言

尼日尔某原油管道起自Agadem油田，终点设在Zinder炼厂，线路全长460 km。管道沿途地貌主要为沙丘、热带草原、耕地等，地貌相对简单。但是沿线城镇稀疏，交通依托条件很差，工程所在地属疾病多发区，并有反政府武装出没。在社会条件如此恶劣、项目工期紧张的情况下，常规的勘测方式已无法满足要求。鉴于此，本项目最终选择LiDAR航测来完成该管道的测量任务。

1 LiDAR航测的组织与实施

1.1 组织与实施总体框架

勘测任务由我方尼日尔管道PMC项目组负责，组织与实施总体框架见图1。任务分成两步实施，首先法国辉固（Fugro）公司按我方要求完成航飞外业，并提交数字高程模型DEM和正射影像DOM产品。然后我方在此数据基础上生成带状地形图和线路纵断面图等数据。考虑本管道沿线地物类型相对简单，以及安保方面限制，本项目没有进行野外调绘。

图1 组织与实施总体框架

1.2 GPS基准站点的布设

机载LiDAR在空中对地测量过程中，为了在航测期间连续获取与机载GPS同步的观测数据，飞行时需在地面布设若干个GPS基准站，通过地面GPS基准站和机载GPS的测量数据的联合差分解算，精确确定飞行轨迹。单个GPS基站的覆盖半径通常为30 km左右。根据管道长度，本工程共布设野外地面控制点9个（见图2）。每个控制点观测时间不少于5 h，首尾两端控制点观测时间不少于7 h，观测数据采样时间间隔15 s。

图2 GPS基准站点布设

1.3 航飞任务设计

航飞导航中线根据SPOT-5卫星的2.5 m分辨率遥感数据初选线路确定，然后使用辉固公司FLI-MAP 400型号的LiDAR设备对管道走廊带进行航测。在飞行任务设计中，考虑到将来可能出现的线路局部调整以及中间加热站的范围，将数据的采集宽度确定为管道两侧共700 m范围。同时为避免首末站场位置调整而导致重飞，在首尾两端各2 km的范围内覆盖宽度加宽至1 400 m。飞行技术参数见表1。

表1 航飞技术参数

1.4 激光点云处理、生成DEM

激光点云处理：本工程共采集约37亿个激光点，激光点数据采集完成后，利用Terrosolid软件对不同激光点进行植被、房屋、地形等类别的分类过滤及人工检查，保留地表激光点用于DEM数据的生产。

生成DEM：为等高线数据的生产方便，需对处理后的激光点进行重采样，生成格网间距为2 m ×2 m的DEM文件（*.xyz格式），见图3。并对DEM文件进行分块处理，建立数据索引，方便地形数据的存储和管理。

参照优化原型钢板的初始有限元结果，作为拓扑优化输入参数。优化目标是新型钢板在轴向压缩和扭转载荷综合作用下实现刚度最大化，因此设定上述两种工况的权重系数比为1:1。相应地，本组研究设定的目标函数为整个模型对于两组独立工况的加权应变能（即结构柔度，反比于结构刚度），而优化钢板的体积约束条件为不超出常规钢板的体积（常规钢板体积约占优化原型体积的49.7%）。优化设计区域定义为除钉孔位置以外的钢板主体单元集合，最后提交分析任务到ABAQUS软件的拓扑优化模块，进入优化迭代计算。

1.5 正射影像DOM生产

用Terrosolid软件的TerraPhoto模块处理原始影像数据，先导入飞行数据文件（包括飞机位置、姿态、拍摄时间、影像排列等）、影像数据文件及地面高程模型文件等，再导入外控数据，然后进行全自动空三平差、镶嵌，生成彩色正射影像。然后进行裁切，本工程共裁切生成5 500张正射影像，范围大小为300 m×300 m。

图3 管廊带高精度DEM

1.6 线路带状图、纵断面图生成

在线路及总图专业根据DEM、DOM数据完成线路局部优化和站场选址后，测量专业开始线路纵断面图生产。工作内容主要包括等高线、地物要素提取、纵断面数据提取等。

生成等高线：根据DEM文件分块生成等高线地形数据，在AutoCAD中对等高线进行整体拼接。由于所生成的等高线数据源于高密度的规则格网DEM，因此，等高线往往带有锯齿状，需进行平滑处理。

地物要素提取：根据高分辨率DOM文件，利用专业成图软件采用“正射影像矢量化法”人工提取道路、房屋等地物要素，与等高线图形进行叠加，生成地形图。

纵断面数据是线路设计的重要获取资料。利用自编程序根据线路中桩坐标从DEM中快速提取纵断面数据。

图4 数据处理流程

2 精度检验

2.1 激光点高程精度检查

为了检验激光点的高程精度，在工程现场采集了57个特征点，先将激光点采用GPS-RTK按实际坐标放样，再用水准观测方法与已知点进行联测。比较野外实测高程和激光点高程，精度检验的结果见表2。

表2 高程精度误差统计

同时也对9个地面GPS基站点高程进行了检核，高程较差平均值3 cm，最大差值5 cm。

2.2 正射影像精度检查

对特征地物点（如道路、房子等），通过比较量测的地面实际位置与正射影像上位置来验证其精度，见图5。

图5 正射影像绝对精度检查

检查结果显示，所有检查点在正射影像上的最大偏移为2个像素，平均偏移0.9个像素。

从精度检验结果可以看出，后期处理的地物点平面和高程精度能够满足GB/T 50539-2009《油气输送管道工程测量规范》的相关要求。

3 总结

本工程在2个月的时间内完成了从外业航飞到内业成图的全部工作，保证了管道项目总体进度按预期进行。机载LiDAR航测应用于长输管道还是首次，通过在本项目的成功应用，可以总结出：

（1）机载LiDAR航测现场工作量少，克服了尼日尔现场工作中存在的不利因素（传统勘测作业人员分散，安保军队调动、后勤实施困难）。

（2）对比传统的人工测量、常规摄影测量技术，机载LiDAR技术在高程精度、工期等方面的优势明显。

（3）通过高精度DEM、DOM叠加重建了现场立体场景，在室内完成了线路局部优化及中间加热站选址，并避免因后期改线带来的现场重新测量。

4 展望与建议

在国外，机载LiDAR系统广泛应用于基础测绘、军事工业、数字城市等领域。2005年该系统开始引入我国，先后在电力、道路、基础测绘等领域应用。目前在长输管道勘测领域，常规摄影测量的方式已逐渐兴起，而LiDAR航测技术的应用仍处于起步阶段。两者相比，LiDAR航测是快速制作高精度DOM、DEM的新技术；而常规摄影测量在数字线划图DLG地物要素采集方面略胜一筹，因为前者主要根据激光点云以及正射影像矢量化的方法采集地物要素，效果比常规摄影测量立体模型下采集的稍差。所以两种技术各有特点和优势，在未来一段时期内，LiDAR航测与常规摄影测量方法将出现共存并用的局面，两者相互补充。

结合LiDAR技术和长输管道勘测的特点，笔者建议对有如下特性的管道工程可考虑采用LiDAR航测。

（1）进场困难地区（如地形复杂、社会依托差、存在安保困难等的区域）。

（2）地表有植被，而采用传统测量手段又受限制的区域。

（3）勘测工期紧张的项目。

目前管道建设逐渐向复杂地区延伸，LiDAR航测技术的优势也将逐步显现，同时随着这方面的行业规范和技术标准的不断完善，该技术在管道勘测领域将得到更加广泛的应用。

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10.3969/j.issn.1001-2206.2012.03.015

何祖祥（1978-），男，湖北仙桃人，工程师，2001年毕业于武汉测绘科技大学摄影测量与遥感专业，现主要从事长输管道的线路勘测设计工作。

2011-08-15